CN114524007B - 一种磁浮运行控制数字孪生系统 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种磁浮运行控制数字孪生系统，包括中央运控数字孪生系统、分区运控数字孪生系统、车载运控数字孪生系统、运控环境模拟系统、分析处理单元；其中，运控环境模拟系统包括牵引供电模拟系统、分区道岔模拟系统、车地通信模拟系统、测试定位模拟系统和磁浮模拟车辆；磁浮运行控制数字孪生系统支持三种工作模式：包括同步孪生模式、快速回溯模式和独立仿真模式。磁浮运行控制数字孪生系统满足磁浮运行控制系统运行指挥功能验证、安全防护功能验证、核心装备可靠性验证等多层次仿真测试需求，解决磁浮运行控制系统装备可靠性与运行控制功能的实验测试与仿真验证难题。
Description
技术领域
本发明涉及磁浮交通技术领域，特别是涉及一种磁浮运行控制数字孪生系统，适用于磁浮交通运控系统的基本原理、核心功能、运输场景等功能验证与监测预警。
背景技术
磁浮交通技术尚未大规模商业化应用，磁浮运行控制技术作为磁浮交通系统的关键核心技术之一，正处于不断研发、更新与验证的过程。实验验证对完善磁浮运行控制技术必不可少。磁浮运行控制系统是磁浮交通系统三大控制技术之一，承担磁浮交通系统控制最为核心的运行指挥和安全防护功能，其可靠性和安全性决定着整个磁浮交通系统的效率与安全。
目前的磁浮运行控制技术的实验验证主要依靠半实物仿真平台或短距离实验线路来完成，这类验证方式存在不足之处。随后，随着数字化建模技术的日益完善，基于纯数字建模的磁浮运行控制系统仿真平台成为了一种选择，但数字仿真技术本身是对物理系统的数字化抽象，建模误差无法避免且不随系统长期运行而不断消减，这使得仿真结果始终无法完全反映磁浮运行控制系统的物理特性和性能参数。
近年，数字孪生技术作为新兴发展的技术，通过数字孪生系统和本体系统之间的数据双向流动，本体系统可以向数字孪生系统输出数据，数据孪生系统也可以向本体系统反馈信息。因此，如何通过应用数字孪生技术，搭建数字化磁浮运行控制系统及外围环境的原型镜像，解决磁浮运行控制系统装备可靠性与运行控制功能的实验测试与仿真验证难题，已成为一个亟待解决的问题。
发明内容
本发明的目的在于提供一种磁浮运行控制数字孪生系统，以解决上述背景讨论中技术存在的问题。
本发明的技术方案是：
一种磁浮运行控制数字孪生系统，包括中央运控数字孪生系统、分区运控数字孪生系统、车载运控数字孪生系统、运控环境模拟系统、分析处理单元；其中，运控环境模拟系统包括牵引供电模拟系统、分区道岔模拟系统、车地通信模拟系统、测试定位模拟系统和磁浮模拟车辆；磁浮运行控制数字孪生系统支持三种工作模式：包括同步孪生模式、快速回溯模式和独立仿真模式。
磁浮运行控制数字孪生系统与磁浮运行控制系统通过中央运控网络进行连接，并采用网关进行安全隔离；磁浮运行控制系统包括中央运控系统、分区运控系统、车载运控系统、运控环境系统；运控环境系统包括牵引供电系统、分区道岔系统、车地通信系统、测试定位系统和磁浮车辆；磁浮运行控制数字孪生系统中的设备与磁浮运行控制系统中的设备具有相同的网络拓扑结构和功能接口，且具有孪生模型更新端口。
同步孪生模式的运行流程包括：第一步，由中央运控数字孪生系统向中央运控系统下发控制指令同步请求，中央运控系统如果接受请求，则向中央运控数字孪生系统回复当前控制命令集；第二步，中央运控数字孪生系统收到控制命令集后，启动磁浮运控数字孪生系统的其他子系统；第三步，中央运控系统收集当前控制指令、分区运控系统、车载运控系统、运控环境系统的全链路设备状态信息，将上述控制指令和设备状态信息经过系统网关分发给中央运控数字孪生系统和分区运控数字孪生系统，然后经过分区运控数字孪生系统分发到车载运控数字孪生系统和运控环境模拟系统，完成磁浮运控数字孪生系统与磁浮运控系统的状态同步；第四步，磁浮运行控制系统与对应的磁浮运行控制数字孪生系统同步运行，分析处理单元同时接收磁浮运行控制系统及运控环境系统和相应的数字孪生系统的控制指令与设备状态信息，利用内置智能分析算法进行对比分析，对磁浮运行控制系统与运控环境系统的运行工况和设备状态的动态评估、诊断和预测；第五步，与此同时，分析处理单元可利用磁浮运行控制系统的控制指令、工作状态历史数据，结合机器学习与在线更新算法，完成数字孪生模型的持续修正和完善。
优选地，快速回溯模式的运行流程包括：第一步，断开磁浮运行控制系统，并屏蔽中央运控数字孪生系统的运控指令输出端口；第二步，通过网关倍速注入或调用系统内部存储的磁浮运行控制系统控制指令历史数据，驱动分区运控数字孪生系统、车载运控数字孪生系统、以及运控环境模拟系统运行，生成磁浮运行控制数字孪生系统的设备状态数据；第三步，通过网关倍速注入或调用系统内部存储的，且与控制指令同步的磁浮运行控制系统的全链路设备状态历史数据，快速生成包括磁浮运行控制系统的控制指令、设备状态的数据序列，和与之同步的磁浮运行控制数字孪生系统的控制指令、设备状态的数据序列；第四步，分析处理单元根据同步数据序列，利用内置数据分析处理算法，快速完成磁浮运行控制系统的运行过程二次复核与故障诊断等任务。
优选地，独立仿真模式的运行流程包括：第一步，断开磁浮运行控制数字孪生系统网关，启动磁浮运行控制数字孪生系统，完成各子系统初始化；第二步，中央运控数字孪生系统创建控制指令集，手动或自动按时序逻辑要求对分区运控数字孪生系统下发中央运控指令；第三步，分区运控数字孪生系统根据中央运行指令，指挥、控制与之相连的运控环境模拟系统和车载运控数字孪生系统，并向中央运控数字孪生系统返回各被控子系统响应信息和设备状态信息；第四步，车载运控数字孪生系统根据收到的分区运控数字孪生系统指令，指挥、控制磁浮模拟车辆运行，并向分区运控数字孪生系统返回磁浮模拟车辆的响应信息和设备状态信息，最终完成磁浮运行控制系统的各种功能和性能仿真验证。
本发明的有益效果在于：基于数字孪生技术与模块化设计思想，利用数字建模、实时传感和已有历史记录等数据，对磁浮运行控制系统及其外围测试环境进行模块化数字化重构，搭建一个数字化磁浮运行控制系统及外围环境的原型镜像，满足磁浮运行控制系统运行指挥功能验证、安全防护功能验证、核心装备可靠性验证等多层次仿真测试需求，解决磁浮运行控制系统装备可靠性与运行控制功能的实验测试与仿真验证难题。
附图说明
图1为本发明实施例提供的一种磁浮运行控制数字孪生系统与磁浮运行控制系统示意图；
图2为本发明实施例提供的一种磁浮运行控制数字孪生系统的同步孪生模式的流程图；
图3为本发明实施例提供的一种磁浮运行控制数字孪生系统的快速回溯模式的流程图；
图4为本发明实施例提供的一种磁浮运行控制数字孪生系统的独立仿真模式的流程图。
具体实施方式
下面详细描述本发明的实施方式，所述实施方式的示例在附图中示出，其中自始至终相同或类似的标号表示相同或类似的元件或具有相同或类似功能的元件。下面通过参考附图描述的实施方式是示例性的，仅用于解释本发明，而不能解释为对本发明的限制。
为便于对本发明实施例的理解，下面将结合附图以几个具体实施例为例做进一步的解释说明，且各个实施例并不构成对本发明实施例的限定。
如图1所示，一种磁浮运行控制数字孪生系统，其特征在于，包括中央运控数字孪生系统、分区运控数字孪生系统、车载运控数字孪生系统、运控环境模拟系统、分析处理单元；其中，运控环境模拟系统包括牵引供电模拟系统、分区道岔模拟系统、车地通信模拟系统、测试定位模拟系统和磁浮模拟车辆。
磁浮运行控制数字孪生系统与磁浮运行控制系统通过中央运控网络进行连接，并采用网关进行安全隔离；磁浮运行控制系统包括中央运控系统、分区运控系统、车载运控系统、运控环境系统；运控环境系统包括牵引供电系统、分区道岔系统、车地通信系统、测试定位系统和磁浮车辆；磁浮运行控制数字孪生系统中的设备与磁浮运行控制系统中的设备具有相同的网络拓扑结构和功能接口，且具有孪生模型更新端口。
如图2、图3、图4所示，磁浮运行控制数字孪生系统支持三种工作模式：包括同步孪生模式、快速回溯模式和独立仿真模式。
其中，如图2所示，同步孪生模式的运行流程包括：第一步，由中央运控数字孪生系统向中央运控系统下发控制指令同步请求，中央运控系统如果接受请求，则向中央运控数字孪生系统回复当前控制命令集；第二步，中央运控数字孪生系统收到控制命令集后，启动磁浮运控数字孪生系统的其他子系统；第三步，中央运控系统收集当前控制指令、分区运控系统、车载运控系统、运控环境系统的全链路设备状态信息，将上述控制指令和设备状态信息经过系统网关分发给中央运控数字孪生系统和分区运控数字孪生系统，然后经过分区运控数字孪生系统分发到车载运控数字孪生系统和运控环境模拟系统，完成磁浮运控数字孪生系统与磁浮运控系统的状态同步；第四步，磁浮运行控制系统与对应的磁浮运行控制数字孪生系统同步运行，分析处理单元同时接收磁浮运行控制系统及运控环境系统和相应的数字孪生系统的控制指令与设备状态信息，利用内置智能分析算法进行对比分析，对磁浮运行控制系统与运控环境系统的运行工况和设备状态的动态评估、诊断和预测；第五步，与此同时，分析处理单元可利用磁浮运行控制系统的控制指令、工作状态历史数据，结合机器学习与在线更新算法，完成数字孪生模型的持续修正和完善。
如图3所示，快速回溯模式的运行流程包括：第一步，断开磁浮运行控制系统，并屏蔽中央运控数字孪生系统的运控指令输出端口；第二步，通过网关倍速注入或调用系统内部存储的磁浮运行控制系统控制指令历史数据，驱动分区运控数字孪生系统、车载运控数字孪生系统、以及运控环境模拟系统运行，生成磁浮运行控制数字孪生系统的设备状态数据；第三步，通过网关倍速注入或调用系统内部存储的，且与控制指令同步的磁浮运行控制系统的全链路设备状态历史数据，快速生成包括磁浮运行控制系统的控制指令、设备状态的数据序列，和与之同步的磁浮运行控制数字孪生系统的控制指令、设备状态的数据序列；第四步，分析处理单元根据同步数据序列，利用内置数据分析处理算法，快速完成磁浮运行控制系统的运行过程二次复核与故障诊断等任务。
如图4所示，独立仿真模式的运行流程包括：第一步，断开磁浮运行控制数字孪生系统网关，启动磁浮运行控制数字孪生系统，完成各子系统初始化；第二步，中央运控数字孪生系统创建控制指令集，手动或自动按时序逻辑要求对分区运控数字孪生系统下发中央运控指令；第三步，分区运控数字孪生系统根据中央运行指令，指挥、控制与之相连的运控环境模拟系统和车载运控数字孪生系统，并向中央运控数字孪生系统返回各被控子系统响应信息和设备状态信息；第四步，车载运控数字孪生系统根据收到的分区运控数字孪生系统指令，指挥、控制磁浮模拟车辆运行，并向分区运控数字孪生系统返回磁浮模拟车辆的响应信息和设备状态信息，最终完成磁浮运行控制系统的各种功能和性能仿真验证。
以上所述，仅为本发明较佳的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，可轻易想到的变化或替换，都应涵盖在本发明的保护范围之内。因此，本发明的保护范围应该以权利要求的保护范围为准。
Claims (3)
1.一种磁浮运行控制数字孪生系统，其特征在于，包括中央运控数字孪生系统、分区运控数字孪生系统、车载运控数字孪生系统、运控环境模拟系统、分析处理单元；其中，所述运控环境模拟系统包括牵引供电模拟系统、分区道岔模拟系统、车地通信模拟系统、测试定位模拟系统和磁浮模拟车辆；所述磁浮运行控制数字孪生系统支持三种工作模式：包括同步孪生模式、快速回溯模式和独立仿真模式；
所述磁浮运行控制数字孪生系统与磁浮运行控制系统通过中央运控网络进行连接，并采用网关进行安全隔离；所述磁浮运行控制系统包括中央运控系统、分区运控系统、车载运控系统、运控环境系统；所述运控环境系统包括牵引供电系统、分区道岔系统、车地通信系统、测试定位系统和磁浮车辆；所述磁浮运行控制数字孪生系统中的设备与所述磁浮运行控制系统中的设备具有相同的网络拓扑结构和功能接口，且具有孪生模型更新端口；
所述同步孪生模式的运行流程包括：第一步，由所述中央运控数字孪生系统向所述中央运控系统下发控制指令同步请求，所述中央运控系统如果接受请求，则向所述中央运控数字孪生系统回复当前控制命令集；第二步，所述中央运控数字孪生系统收到控制命令集后，启动磁浮运控数字孪生系统的其他子系统；第三步，所述中央运控系统收集当前控制指令、所述分区运控系统、所述车载运控系统、所述运控环境系统的全链路设备状态信息，将上述控制指令和设备状态信息经过系统网关分发给所述中央运控数字孪生系统和所述分区运控数字孪生系统，然后经过所述分区运控数字孪生系统分发到所述车载运控数字孪生系统和所述运控环境模拟系统，完成磁浮运控数字孪生系统与磁浮运控系统的状态同步；第四步，所述磁浮运行控制系统与对应的磁浮运行控制数字孪生系统同步运行，所述分析处理单元同时接收磁浮运行控制系统及运控环境系统和相应的数字孪生系统的控制指令与设备状态信息，利用内置智能分析算法进行对比分析，对所述磁浮运行控制系统与所述运控环境系统的运行工况和设备状态的动态评估、诊断和预测；第五步，与此同时，所述分析处理单元可利用所述磁浮运行控制系统的控制指令、工作状态历史数据，结合机器学习与在线更新算法，完成数字孪生模型的持续修正和完善。
2.如权利要求1所述的一种磁浮运行控制数字孪生系统，其特征在于，所述快速回溯模式的运行流程包括：第一步，断开所述磁浮运行控制系统，并屏蔽所述中央运控数字孪生系统的运控指令输出端口；第二步，通过网关倍速注入或调用系统内部存储的所述磁浮运行控制系统控制指令历史数据，驱动所述分区运控数字孪生系统、所述车载运控数字孪生系统、以及所述运控环境模拟系统运行，生成所述磁浮运行控制数字孪生系统的设备状态数据；第三步，通过网关倍速注入或调用系统内部存储的，且与控制指令同步的所述磁浮运行控制系统的全链路设备状态历史数据，快速生成包括所述磁浮运行控制系统的控制指令、设备状态的数据序列，和与之同步的所述磁浮运行控制数字孪生系统的控制指令、设备状态的数据序列；第四步，所述分析处理单元根据同步数据序列，利用内置数据分析处理算法，快速完成所述磁浮运行控制系统的运行过程二次复核与故障诊断等任务。
3.如权利要求1所述的一种磁浮运行控制数字孪生系统，其特征在于，所述独立仿真模式的运行流程包括：第一步，断开所述磁浮运行控制数字孪生系统网关，启动所述磁浮运行控制数字孪生系统，完成各子系统初始化；第二步，所述中央运控数字孪生系统创建控制指令集，手动或自动按时序逻辑要求对所述分区运控数字孪生系统下发中央运控指令；第三步，所述分区运控数字孪生系统根据中央运行指令，指挥、控制与之相连的所述运控环境模拟系统和所述车载运控数字孪生系统，并向所述中央运控数字孪生系统返回各被控子系统响应信息和设备状态信息；第四步，所述车载运控数字孪生系统根据收到的所述分区运控数字孪生系统指令，指挥、控制磁浮模拟车辆运行，并向所述分区运控数字孪生系统返回磁浮模拟车辆的响应信息和设备状态信息，最终完成所述磁浮运行控制系统的各种功能和性能仿真验证。
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| Date | Code | Title | Description |
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| PB01 | Publication | ||
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| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
| GR01 | Patent grant | ||
| GR01 | Patent grant |